高抗剪貝雷梁在系桿拱橋現澆“系梁”施工中的應用

摘要 文章以張福河大橋主橋蝶形系桿拱為例，采用高抗剪加強型貝雷梁作為系梁支架的承重梁作為研究對象，通過受力驗算分析支架強度、剛度、穩定性，結果表明高抗剪貝雷在系桿拱橋系梁支架施工過程中滿足各個工況受力要求且具有一定的安全儲備系數，從而很好地解決了系桿拱系梁支架在跨越通航水域施工難點，不僅保證支架安全，減少了施工對航道交通的影響，也為類似復雜水上交通環境的橋梁支架施工提供了參考思路及方法。

關鍵詞 蝶形系桿拱；高抗剪加強型貝雷；支架

中圖分類號 U445.4 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）04-0102-03

0 引言

在橋梁施工過程中，隨著高性能、高強度材料的發展及在橋梁工程中的應用，橋梁結構跨越能力的增加考驗著橋梁建設者的施工能力、裝備技術及施工技術應用的合理性，鑒于高抗剪貝雷梁在橋梁施工中的廣泛應用，憑借其高強度的穩定性給橋梁施工方案提供了更多的選擇，該文以張福河大橋通航孔支架中高抗剪貝雷為例，通過受力計算驗證其作為系梁承重梁跨越30 m主航道的施工案例。

1 工程概況

張福河大橋主橋采用蝴蝶形系桿拱結構，跨徑105 m，計算跨徑102 m，橋面寬度為12 m，橋梁總寬16 m（含結構構造寬）。主拱圈由鋼箱式截面組成（210 cm×14 cm），拱圈矢高h=20.4 m，矢跨比1/5，主拱外傾角度為10 °，副拱采用90 cm×90 cm箱式斷面進行連接，橫向連接桿采用箱式斷面（45 cm×45 cm），主拱、副拱、橫向連接桿組成蝴蝶造型，同時起到風撐作用，系桿為箱形斷面，系桿頂板、腹板、底板均為30 cm厚，拱腳段系桿與拱腳端橫梁一起澆筑，跨河系桿由中間向兩邊澆筑，兩次澆筑通過1 m濕接頭連接。系桿頂用水泥砂漿抹1%的橫向反水坡。系桿每個空箱室中心處設置一個φ80 mm排氣孔。全橋共設19道預應力混凝土橫梁，跨河系桿由中間向兩邊澆筑，兩次澆筑通過1 m濕接頭連接。主橋設17道中橫梁18孔行車道板，每孔10片C50空心預制板作為行車道板，由2片邊板8片中板組成，全橋合計行車道板180片，行車道板高32 cm，中板寬119 cm，邊板寬114.5～125.5 cm，長度分為503 cm和508 cm兩種規格。單個行車道板重約4.08 t。

2 總體布置及周邊環境

張福河大橋采用先梁后拱的施工方法，鋼結構在工廠分段加工，拱腳預埋件、大節段鋼結構采用汽運、水運至施工現場，然后用150 t浮吊吊裝。浮吊船前后錨點設于岸上。

張福河大橋上跨張福河，所處航道為Ⅴ級航道，水面寬約61 m，施工期間活動水域主要集中在擬建橋梁上下游200 m范圍，往來船只在800 t左右，船行流量約30艘/d，河床底標高最深處標高為7.53 m，正常通航水位為12.6 m，最低通航水位為10.33 m，最高通航水位為14.83 m。

支架通航孔根據評審后張福河大橋工程施工通航安全保障方案中系桿支架預留25 m通航孔設置，過往船舶按照預留的通航孔進行航行，執法部門提前發布航行通告，告知過往船舶橋區水域通航孔情況。但臨時支墩可能會存在船舶擦碰的風險，故在上下游靠右側支墩前方3 m處及通航孔內設置防撞墩，防撞墩防撞能力為800 t級，樁頂標高為正常水位以上4 m。

3 總體施工流程

張福河大橋上部結構總體采用“先梁后拱”的施工方法，主橋拱腳、端橫梁、系梁、中橫梁采用少支架現澆法施工，主副拱圈采用少支架法分節段吊裝。總體施工流程如下：

①完成主墩施工，搭設主橋系梁現澆支架，預留通航孔，完善臨時導航措施。②完成拱腳，端橫梁，系桿，4#、9#、14#中橫梁，張拉端橫梁N1，中橫梁N2系梁第一批預應力N1、N1、N2、N2。③搭設主副拱肋支架，完成主副拱安裝、焊接，拆除拱肋支架。④安裝吊桿，完成第一次吊桿張拉。⑤施工剩余中橫梁，張拉中橫梁N2預應力鋼束，張拉第二批系桿預應力鋼束，拆除系梁支架。安裝行車道板，張拉第二批端橫梁、中橫梁預應力鋼束。⑥吊桿第二次張拉，主橋橋面系施工。

4 系桿支架設計

張福河大橋主橋系桿采用支架現澆法施工，支架搭設采用Φ529 mm、δ=8 mm鋼管樁作臨時支墩承重樁，拱腳段系桿支架承重梁采用普通貝雷，系桿段承重梁采用高抗剪加強型貝雷與普通貝雷相結合的組合方式搭設。考慮該橋的實際通航要求，支架搭設時設25 m航道預留孔，以便水運通航。主橋系桿拱計算跨徑102 m，每道系桿下縱向布置9組臨時鋼支墩。

1#、9#鋼支墩結構：1#、9#鋼管樁支立于主墩承臺頂面，采用Φ529 mm、δ=8 mm鋼管樁，橫向布置3根，中心間距1.8 m，縱向布置1排，單個鋼支墩共3根鋼管樁。鋼管樁頂部橫橋向設置1層4.52 m長雙拼I40b工字鋼，設角度的承臺需在鋼管樁底部設置雙拼I40工字鋼做樁底分配梁，橫向鋼管樁采用20#槽鋼進行橫向連接。支架中心與系梁重心線保持重合。

4#、5#鋼支墩結構：采用Φ529 mm、δ=8 mm鋼管樁，橫向布置4根，中心間距1.4 m，縱向布置3排，單個鋼支墩共12根鋼管樁。鋼管樁頂部共設4層分配梁，第一層在鋼樁頂部設置3.8 m長4道雙拼I40b工字鋼縱向分配梁，第二層設橫向2道5 m長雙拼I40b工字鋼分配梁，第三層設縱向2道2.4 m長四拼I40b工字鋼分配梁，第四層設橫向1道5 m長四拼I40b工字鋼分配梁，鋼管樁縱橫向采用20#槽鋼進行連接。支架中心與系梁重心線保持重合。

6#鋼支墩結構：采用Φ529 mm、δ=8 mm鋼管樁，橫向布置3根，中心間距2 m，縱向布置3排，中心間距1.4 m，單個鋼支墩共9根鋼管樁。鋼管樁頂部共設置4層分配梁，第一層在鋼樁頂部設3.8 m長4道雙拼I40b工字鋼縱向分配梁，第二層設橫向2道5 m長雙拼I40b工字鋼分配梁，第三層設縱向2道2.4 m長四拼I40b工字鋼分配梁，第四層設橫向1道5 m長四拼I40b工字鋼分配梁，鋼管樁縱橫向采用20#槽鋼進行連接。支架中心與系梁重心線保持重合。

7#鋼支墩結構：采用Φ529 mm、δ=8 mm鋼管樁，橫向布置2根，中心間距2.2 m，縱向布置2排，中心間距1.8 m，單個鋼支墩共4根鋼管樁。鋼管樁頂部設2層雙拼I40b工字鋼分配梁，第一層設縱向2道2.8 m長雙拼I40b工字鋼分配梁，第二層設橫向1道5 m長雙拼I40b工字鋼分配梁，鋼管樁縱橫向采用20#槽鋼進行橫向連接。支架中心與系梁重心線保持重合。

5 系桿支架施工

該工程在系桿下共設18組臨時鋼支墩，臨時支墩采用Φ529 mm、δ=8 mm鋼管樁作為承重樁，鋼管樁根據主橋系桿及鋼管拱肋分段位置結合通航孔位置綜合考慮布設，每個臨時支墩鋼管樁分為3、4、9、12根鋼管樁組合成平面或框架整體。每根鋼管樁頂端設置一塊封頭板，封頭板規格為10 mm×700 mm×700 mm。鋼管樁之間采用20#槽鋼設置水平和剪刀撐以加強縱橫向穩定性。

5.1 鋼管樁加工

Φ529 mm、δ=8 mm鋼管樁進場后按現行標準進行抽檢、復驗，表面不得有裂縫、氣泡、起鱗、夾層等缺陷。焊接材料應符合國家現行標準的規定，并采用與主材相匹配的材料。

（1）Φ529 mm鋼管倒用加工前，首先切除變形嚴重、銹蝕嚴重、開口破損嚴重以及鋼管有明顯彎折部位，將鋼管周圍雜物全部清除，重點檢查原鋼管樁接頭部位焊縫情況、對接情況，查看焊縫是否開裂，原對接是否滿足目前對接要求，如不滿足要求必須割斷后重新對接。

（2）鋼管樁放樣下料時，應根據工藝要求預放切割、磨削刨邊和焊接收縮等的加工余量。在卷邊時應清除坡口處有礙焊接的毛刺和氧化物。

（3）鋼管樁焊接前，應將焊縫上下及拼接板周圍30 mm范圍內的鐵銹、油污、水汽和雜物清除干凈。

（4）鋼管樁對接時先在鋼管內設置內襯環或內襯套，然后焊接對接焊縫，再沿樁周圍均勻加焊六塊加勁鋼板，以增強鋼管樁整體剛度。

5.2 剪刀撐布設

系桿臨時支墩采用格構式鋼管樁，管樁下端入土，高出水面后管樁之間布置20a#型鋼剪刀撐以提高其穩定性，頂部安裝縱、橫向分配梁以支承系桿支架。

（1）在鋼管樁上進行剪刀撐、分配梁位置的測量放樣。技術員實測樁間平聯長度并在后場下料，同步進行剪刀撐、樁頂分配梁的加工。

（2）用浮吊懸吊剪刀撐、分配梁，到位后電焊工焊接安裝剪刀撐、分配梁。現場技術員及時檢查焊縫質量，合格后進行縱橫分配梁架設。

（3）浮吊懸吊縱梁或橫梁到測量放樣位置后安裝并簡易固定，電焊工按測量放樣位置焊接。所有焊縫均要滿足規范要求。

6 系桿支架驗算

6.1 荷載計算

支架、模板設計計算前，應明確模板、支架計算的荷載組合、最大變形允許值及荷載設計值方面的規定。

6.2 荷載組合

按照《公路橋涵施工技術規范》（JTG/T F3650—2020）規定^[1]，模板、支架的設計應考慮下列各項荷載，并應按表5.2.6的規定進行荷載組合：①模板、支架自重。②新澆筑混凝土、鋼筋、預應力筋或其他圬工結構物的重力。③施工人員及施工設備、施工材料等荷載。④振搗混凝土時產生的振動荷載。⑤新澆筑混凝土對模板側面的壓力。⑥混凝土入模時產生的水平方向的沖擊荷載。⑦設于水中的支架所承受的水流壓力、波浪力、流水壓力、船只及其他漂浮物的撞擊力。⑧其他可能產生的荷載，如風荷載、雪荷載、冬季保溫設施荷載等。

6.3 最大變形允許值

按《公路橋涵施工技術規范》（JTG/T F3650—2020）規定^[1]，驗算模板、支架的剛度時，其最大變形值不得超過下列允許值：①結構表面外露的模板，撓度為模板構件跨度的1/400。②結構表面隱蔽的模板，撓度為模板構件跨度的1/250。③支架受載后撓曲的桿件（橫梁、縱梁），其彈性撓度為相應結構計算跨度的1/400。

6.4 施工荷載

根據《公路橋涵施工技術規范》（JTG/T3650—2020）^[1]附錄C：①施工人員及設備荷載取2.5 kN/m²。②振搗混凝土時水平面板產生的荷載取2 kN/m²。

6.5 材料及其力學性能

該節所述《規范》為《建筑施工模板安全技術規范》（JGJ162—2008）^[2]。

系桿拱鋼筋混凝土容重γ=26 kN/m³，混凝土容重γ=24 kN/m³。模板面板采用15 mm竹膠板：竹膠板彈性模量E=10.584×10⁶kPa，抗彎強度設計值[ f_jm]=37 MPa，膠合板毛截面積抵抗矩W_j=3.75×10^?5m³，I_x=2.813×10^?7m⁴（取板寬b=1 m，板厚h=15 mm計算），單位自重q=0.15 kN/m²。

底模次楞采用10 cm×10 cm木方，抗彎強度設計值[ f_m]=9.9 MPa，抗剪強度設計值[ f_v]=1.4 MPa，彈性模量E=9×10⁶kPa，截面抵抗矩W_x=1.667×10^?4m³，慣性矩I_x=8.333×10^?6m⁴，面積矩S_x=1.25×10^?4m³，單位自重q=0.06 kN/m。

系桿底模主楞采用Q235 I10工字鋼：腹板厚度t_w=4.5×10^?3m，截面抵抗矩W_x=4.9×10^?5m³，慣性矩I_x=2.45×10^?6m⁴，面積矩S_x=2.82×10^?5m³，截面積A=1.433×10^?3m²，自重q=0.1 kN/m。

樁頂分配梁采用Q235 I40b型鋼：腹板厚度t_w=1.25×10^?2m，截面抵抗矩W_x=1.139×10^?3m³，慣性矩I_x=2.278×10^?4m⁴，面積矩S_x=6.712×10^?4m³，截面積A=9.407×10^?3m²，自重q=0.738 kN/m。

系桿側模主楞Q235 10#型鋼：腹板厚度t_w=5.3×10?3 m，截面抵抗矩W_x=3.94×10^?5m³，慣性矩I_x=1.983×10^?6m⁴，面積矩S_x=2.35×10^?5m³，截面積A=1.274×10^?3m²，自重q=0.1 kN/m。

6.6 系桿支架驗算

單根系桿支架每斷面采用三組雙排單層貝雷梁，系桿段中間4片采用高抗剪型貝雷梁，間距90 cm+60 cm+90 cm+60 cm+90 cm布置。系桿斷面2 m寬，系桿底模主楞采用6 m長10#工字鋼，兩邊挑出寬度能夠滿足施工作業空間需求。

根據施工圖設計，單側系桿混凝土用量213 m³，單個拱腳混凝土用量32 m³，以一側系桿支架進行驗算。

現澆系桿段總重5 559 kN，系桿總長83.72 m，按均布荷載計，每延米自重66.4 kN/m。

現澆拱腳段總重856.75 kN，按均布荷載計，每延米自重142.79 kN/m，貝雷桁架片含銷子、支撐架按300 kg/片（3 kN/片）計，則有主梁桁架自重3×8/3=8 kN/m。為方便計算，模板按2 kN/m參與計算，考慮施工人員及施工設備荷載1 kN/m²，振搗混凝土產生的荷載2 kN/m²。

q系桿段=96.72 kN/m，q拱腳段=188.39 kN/m。

按照施工順序，系桿段需在支架上立模澆筑4#、9#、14#中橫梁，3道中橫梁與系桿同時施工，中橫梁長L=12.3 m，1道中橫梁混凝土方量為10.43 m³，1道中橫梁總重為271.18 kN，即中橫梁集中荷載為135.6 kN。

拱肋支架直接支撐在鋼管樁平臺上，不在貝雷梁上，故該荷載直接計算在鋼管樁上。

通過力學求解器計算得出，系桿段支架最大彎矩為6 333.6 kN·m、最大剪力為1 559.2 kN，拱腳段支架最大彎矩為786.9 kN，最大剪力為558.8 kN。

系桿截面尺寸為2 m×2.2 m。拱腳段支架承重梁采用普通貝雷梁，系桿段支架承重梁采用三組雙排單層加強型貝雷梁，中間4片采用高抗剪貝雷，系桿段支架按90 cm+60 cm+90 cm+60 cm+90 cm間距布置在樁頂分配梁上。

根據《裝配式公路鋼橋多用途使用手冊》^[3]，查表得加強型雙排單層貝雷梁彎矩為3 375 kN·m，剪力為490.5 kN。

根據實際施工需要，該項目部分貝雷片采用高抗剪型貝雷，即在原普通321貝雷基礎上進行改進，斜桿采用80 mm×60 mm×5 mm矩形管，以提高貝雷梁的抗剪能力。經計算321貝雷梁復桿采用80 mm×60 mm×5 mm的矩形管，其抗剪能力如下：單排單層（SS）為40.07T；雙排單層（DS）為78.54T；三排單層（TS）為115.01T。驗算時，為了安全考慮，按其抗剪能力的90%進行考慮，高抗剪加強型雙排單層貝雷梁剪力為706 kN。

系桿段承重梁計算如下：

最大彎矩：6 333.6 kN·m＜3 375×3=10 125 kN·m，滿足要求。

最大剪力：1 559.2 kN＜706×2+490.5=1 902.5 kN，滿足要求。

7 結語

高抗剪貝雷作為30 m跨徑系桿拱系桿支架具有承載力大，結構自重輕，拼裝吊裝方便快捷，對水上交通影響較小，施工效率高等顯著優勢，且與滿堂支架相比可節約材料用量，降低人工成本，通過Midas驗算計算該支架的強度、剛度，結果顯示各項分析指標均能滿足規范要求。

參考文獻

[1]公路橋涵施工技術規范： JTG/T F3650—2020[S]. 北京：人民交通出版社， 2020.

[2]建筑施工模板安全技術規范： JGJ162—2008[S]. 北京：中國建筑工業出版社， 2008.

[3]黃紹金， 劉陌生. 裝配式公路鋼橋多用途使用手冊[M]. 北京：人民交通出版社， 2004.

收稿日期：2023-11-21

作者簡介：安蔚（1987—），男，本科，工程師，研究方向：道路橋梁施工。